【正文】 (1)上錐體下移距離 H： 如圖 所示。 坐封剪釘?shù)脑O(shè)計(jì)計(jì)算 1）材料的選擇： 剪釘材料選用 35CrMo,它的許用應(yīng)力 [τ]= 2) 剪釘?shù)闹睆接?jì)算： 剪釘不被剪斷的條件是 τ≤ [τ]，而所要求的剪釘要被西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（本科論文） 34 剪斷，故按 τ≥[τ]時計(jì)算，取臨界值 τ=[τ]。 當(dāng) p=17 MPa 時 ? ? 102954 626 ??? ?????? ? ???n psdmm 當(dāng) p=19 MPa 時 ? ? 102954 626 ??? ?????? ? ???n psdmm 取 d=5mm。 （ 1） 中性點(diǎn) 封隔器坐封時加壓的管柱重量，就是封隔器的坐封載荷，由此得封隔器坐封載荷的近似計(jì)算公式 P＝ L2F（ r－ r0）或 P＝ L2g，則中性點(diǎn)深度的近似計(jì)算公式 Frr PL )( 02 ?? 或 gPL?2 式中： P－封隔器坐封載荷，公斤； g－每 100 厘米油管在井內(nèi)液體中的重量，公斤 /厘米； F－油管環(huán)行截面積， 厘米 2； r－鋼的比重，公斤 /厘米 2； r0－井內(nèi)液體比重，公斤 /厘米 2。 對密封裝置的一般要求是，密封性好，摩擦力要小且穩(wěn)定，壽命長，裝卸方便等。隨著合成橡膠的發(fā)展，出現(xiàn)了耐油、耐熱、耐磨等具有各種特點(diǎn)的合成橡膠密封材料。當(dāng)用于低速運(yùn)動的液缸時，則要求摩擦力更加穩(wěn)定，這樣運(yùn)動平穩(wěn)，不產(chǎn)生爬行。 （ 3）膠筒壓縮距 膠筒壓縮距，是指封隔器坐封前膠筒的自由長度減封隔器坐封后膠筒受力時的長度。 解封剪釘?shù)脑O(shè)計(jì)計(jì)算 1) 材料選擇：剪釘材料選用 35CrMo,它的許用應(yīng)力 [τ]= MPa 2) 剪釘?shù)闹睆接?jì)算：上提中心管，剪斷解封銷釘，實(shí)現(xiàn)解封，解封力F=6080kN均布 8個 . 當(dāng) F=60kN時， ? ? 106044 63 ??? ???? ???n Fdmm 當(dāng) F=80kN時， ? ? 108044 63 ??? ???? ???n Fdmm 取 d=5mm。 當(dāng) p=5MPa時 ? ? ? ? 46226??? ?????? ? ???n psd mm 當(dāng) p=7MPa時 ? ? ? ? 6226??? ?????? ? ???n psd mm 由上選擇 d=4mm. 根據(jù) d＝ 4mm，計(jì)算剪斷時的壓力為 p=5MPa。 綜上 ,L=S+H=60+=。 ? ??? ??? tgn WQ zk 式中： Qk－壓緊力， N； α－楔形角； υ－摩擦角。 2） 膠筒的技術(shù)參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù) 工作壓力： 50公斤 /平方厘米 工作溫度： 120攝氏度 使用套管內(nèi)徑 : 圖 長膠筒 圖 短膠筒 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（本科論文） 28 3） 膠筒配方及物理性質(zhì) YS1503650型膠筒的膠料配方有長膠筒用的 501號和短膠筒用的 29號兩種配方，詳見表 。 （ 2） 膠筒的耐壓性能 對不加“防突”結(jié)構(gòu)的封隔器膠筒進(jìn)行受力分析，如圖 所示。有人曾用氟橡膠制作膠筒，未獲成功。 1） 丁腈橡膠 壓縮式封隔器膠筒采用丁腈橡膠較好。 設(shè)計(jì)計(jì)算 膠筒的設(shè)計(jì)計(jì)算 膠筒的材料及性能 壓縮式膠筒（以下簡稱膠筒）是壓縮式封隔器的心臟，當(dāng)封隔器膠筒承受軸西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（本科論文） 25 向載荷時，封隔器膠筒將產(chǎn)生較大變形，使膠筒與套管之間產(chǎn)生接觸壓力，借此封隔環(huán)空，隔絕產(chǎn)層，保護(hù)套管。如果用于可回收管柱的作業(yè)中，在下接頭內(nèi)部加工一個內(nèi)錐螺紋即可實(shí)現(xiàn)。當(dāng)鉆具再井下遇卡時，從井口投入一個膠塞，膠塞下行剪斷堵塞，液壓孔貫通。當(dāng)工具在井 下遇卡時，扭矩超過摩擦環(huán)鎖承受的設(shè)計(jì)扭矩時，反螺紋松開，內(nèi)外筒脫開，內(nèi)筒隨著鉆具一起上來，外筒丟在井下，保證了上部鉆具的安全。工作時，在管柱下井后，從井口頭膠塞， 通過丟手機(jī)構(gòu)，將堵塞剪斷，露出傳壓孔，然后加壓，壓力通過傳壓孔作用在活塞上，推動活塞上行，活塞上設(shè)計(jì)有推動環(huán)，推動爪子向內(nèi)收縮，從而將管柱遇下接頭脫開，實(shí)現(xiàn)丟手。 這種丟手機(jī)構(gòu)與前一種丟手機(jī)構(gòu)相比，原理相同。 主動丟手機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用在固井和采油方面，用來將套管柱和油管柱送入井下，然后自動脫開；被動丟手機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用在鉆井方面，當(dāng)鉆具在井下發(fā)生事故被卡時，不得已啟動丟手機(jī)構(gòu)，以保全丟手機(jī)構(gòu)上邊的鉆具，同時便于下入處理事故的工具。一般只要在封隔器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上使內(nèi)中心管向下的有效作用面積大于向上的 有效作用面積，就可以解決這一問題?？梢哉f，目前國內(nèi)外設(shè)計(jì)的雙錐體雙向錨定封隔器（下工具解封方式除外）一般都利用主動力使下錐體脫卡。這種錨定方式同樣也存在封隔器解封時的下錐體脫卡問題。一般兩套單向卡瓦和雙錐體正反相接。這個力可由下式求得： F=?pS 式中 F— 中心管承壓時的上頂力， N； ?p— 封隔器上下壓差， MPa； S— 心管有效承壓面積， mm2 封隔器中心管承受的上頂力上頂管柱，使得封隔器產(chǎn)生解封的趨勢，因此，封隔 器承壓能力越高，解封力就越大。 4）單面螺紋步進(jìn)鎖緊機(jī)構(gòu) 這種鎖緊機(jī)構(gòu)由一面帶有特殊螺紋，一面帶有錐面的鎖環(huán)和鎖環(huán)座等組成，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。這種鎖緊方式機(jī)構(gòu)尺寸較長。密閉機(jī)構(gòu)可以采用針閥或球閥、單流閥結(jié)構(gòu)，也可采用膠件密封。如遇封隔器下面的管柱被卡，可加力上提，剪斷懸掛銷釘，此時，下錐體掉入井中，可保證封隔器被安全起出。 丟手部分主要由丟手束爪 2丟手短節(jié) 丟手剪釘 2防脫塊 28 等組成。 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（本科論文） 15 坐封部分主要由活塞 缸套 坐封剪釘 6 組成，其主要作用是為封隔器提供坐封載荷。 （ 3） 在結(jié)構(gòu)上，泄壓和丟手裝置互不關(guān)聯(lián)，丟手失敗的情況屢屢發(fā)生。單位 /MPa。 油田用封隔器的通用技術(shù)條件 1）名詞及術(shù)語 （ 1）封隔件 —— 直接起封隔井內(nèi)工作管柱與井壁環(huán)形空間作用的封隔器部件。如圖 所示。封隔器的綜合成本是與可取出性和損壞率有關(guān)的，并且直接和這樣一些多變因素，例如在井下工作期間與是否傷害地層有關(guān)。封隔器是測試的主要工具，其作用是把泥漿液柱與要測試的地層隔絕開來，以保證投鐵棒打碎玻璃時能最大限度的降低井底壓力，使油氣通過鉆桿至地面，完成中途測試的任務(wù)。黃煜鵬等設(shè)計(jì)了啟動器，通過投球憋壓啟動封隔器。由于油田老化，為保證穩(wěn)產(chǎn)，二次采油及三次采油對封隔器的性能要求更苛刻；與深井、超深井、水平井及分支井作業(yè)相匹配的封隔器嚴(yán)重缺乏。主要用于分層采油、分層找水、堵水，分層試油和油井熱油 循環(huán)清蠟等。此裝置安裝于襯管上，膠筒壓帽與上錐體相連。分層配產(chǎn)管柱由油管、活動油管頭、工作 筒、偏心配產(chǎn)管柱、封隔器、支撐卡瓦、撞擊筒、絲堵、套管構(gòu)成的。 在疏松砂巖油藏的防砂施工中使用的懸掛丟手工具性能的優(yōu)劣是防砂能否一次成功的關(guān)鍵。油井封隔器應(yīng)用于采油作業(yè)。 實(shí)行分層配產(chǎn)方法就是在油井內(nèi)下放一套分層配產(chǎn)管柱，以控制各層，使其在合理壓差下生產(chǎn)出油。 分壓裝置包括分壓環(huán)、補(bǔ)償膠筒和膠筒壓帽。對于支撐式而言，是以井底（或卡瓦封隔器和支撐卡瓦）為支點(diǎn)，加壓一定管柱重量來坐封封隔器，這種封隔器的結(jié)構(gòu)簡單，不能單獨(dú)使用，主要用于分層試油、采油、找水、堵水和酸化等；而水力擴(kuò)張式封隔器主要用于注水、酸化、壓裂、找串和封串等；水力壓縮式封隔器沒有卡瓦支撐，靠從油管內(nèi)加液體來坐封（壓縮膠筒，使其直徑變大，封隔油、套管環(huán)行空間），都能多級使用。很多油田和制造廠的封隔器產(chǎn)品另有命名方法，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化工作混亂。 在鉆完井、修井等作業(yè)中，與封隔器配套的其他工具大多數(shù)已 經(jīng)固定，如水力錨、配水器、噴砂器、換層開關(guān)等，但隨著工藝需要的多樣化，更多工具被加入到封隔器管串中，提高其封隔效果和可靠性。另外，當(dāng)鉆探過程中遇到良好油、氣顯示或地質(zhì)、氣測、錄井有良好顯示時，在井身?xiàng)l件許可的情況下，可停鉆進(jìn)行中途測試。初期投資和安裝成本不應(yīng)是唯一的標(biāo)準(zhǔn)。 封隔器的型號編制 按封隔器分類代號、封隔器支 撐、坐封、解封方式代號及封隔器最大剛體外徑五個參數(shù)依次排列，進(jìn)行型號編制。意為：華北油田的封隔器、其工作原理為擴(kuò)張式、無支撐、液壓坐封、提放管柱解封、剛體最大外徑為 140mm，適用于裸眼井。 2）封隔器的基本參數(shù) （ 1）工作壓力 工作壓力數(shù)值應(yīng)從以下給出的系列中選取。 （ 2） 常規(guī)封隔器不具備后處理 安全裝置，在進(jìn)行打撈作業(yè)時，若懸掛的管柱被砂埋，使得封隔器極易被拔斷，打撈難度大大增加。 圖 封隔器結(jié)構(gòu)示意圖 結(jié)構(gòu)組成 錨定機(jī)構(gòu)采用卡瓦套 1卡瓦 1上錐體 16 和下錐體 22，其主要作用是錨定封隔器，承受封隔器以下管柱重力和封隔件以上壓力對封隔器產(chǎn)生的載荷，并錨定封隔器不上下移動和蠕動。剪斷解封銷釘即可實(shí)現(xiàn)解封。 （ 4）解封 上提管柱，外中心管將隨管柱一起上移，剪 斷解封銷釘，下錐體向下移，卡瓦收回，膠筒也向下移動收回，實(shí)現(xiàn)解封，提出封隔器及其攜帶的管柱。 液壓封隔器坐封泄壓后，一般都采用鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊以防坐封件回彈，目前封隔器的鎖緊機(jī)構(gòu)大致有以下幾種可供選擇： 1） 密封式鎖緊機(jī)構(gòu) 封隔器坐封時，液體進(jìn)入封隔器液缸由液壓力推動活塞壓縮封隔件（或擴(kuò)張封隔件），泄壓后密閉機(jī)構(gòu)使液體只能進(jìn)不能出，一直保持坐封壓力。設(shè)計(jì)時，封隔件回彈距可控制在 4mm 以內(nèi)。這種鎖緊機(jī)構(gòu)由于兩面帶有特殊螺紋的鎖環(huán)，開口后要產(chǎn)生一定程度的變形，因此在設(shè)計(jì)和加工時應(yīng)特別注意。由于這種封隔器采用中心管與下接頭相連接的結(jié)構(gòu)形式，采用上提解封方式，在承受由上而下的壓差時，封隔器中心管將承受一定的上頂力。 （ 2）雙卡瓦、雙 錐體結(jié)構(gòu)式 即兩套單向卡瓦、雙錐體結(jié)構(gòu)（見圖 ）。這種結(jié)構(gòu)是目前雙向錨定 封隔器中錨定方式最簡單的一種，加工亦較容易。下錐體脫卡問題是目前國內(nèi)外雙錐體雙向錨定封隔器解封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一大難題。因此，在進(jìn)行封隔器設(shè)計(jì)時，應(yīng)考慮著一問題。按用途來區(qū)分，有主動丟手機(jī)構(gòu)和被動丟手機(jī)構(gòu)。將管柱下到預(yù)定位置時，在管柱內(nèi)加壓，通過傳導(dǎo)孔推動活塞剪斷剪釘下行 ，并帶動整個下滑套下行，在下滑套內(nèi)加工有環(huán)形槽，可以使鎖塊回退到環(huán)形槽內(nèi)，上 下接頭脫開，完成丟手操作。 3) 自動爪式丟手機(jī)構(gòu) 圖 自動爪式丟手機(jī)構(gòu) 自動式爪型結(jié)構(gòu)是一種常用于油管柱和套管柱的自動丟手機(jī)構(gòu)（如圖 ） 它通過爪子將送入工具和管柱聯(lián)接起來。所傳扭矩的大小通過摩擦因數(shù)和上緊力矩來控制。正常鉆井時，通過牙嵌和花鍵傳遞扭矩，而軸向載荷依靠梯形反螺紋來傳遞。缺點(diǎn)是承載能力小。這種丟手機(jī)構(gòu)相對來說，結(jié)構(gòu)比較簡單。下面就不同膠料的膠筒耐溫性能作簡要闡述。 顯然，對于耐溫要求小于或等于 150℃的膠筒，氟橡膠并不合適，其可塑性差，難以加工成型，且價格比丁腈橡膠貴。對于耐溫和耐壓要求較高的膠筒，則優(yōu)先選用氫化丁腈橡膠。短膠筒位于 兩個長膠筒之間，長膠筒的結(jié)構(gòu)如圖 ；短膠筒的結(jié)構(gòu)如圖 。 如圖 所示，經(jīng)靜力分析，在軸向力（坐封力） Wz作用下，作用在卡瓦牙面上的壓緊力 Qk及摩擦力 Wk為： nWW zk ? 式中： Wk－摩擦力， N； Wz－坐封力， N； 圖 卡瓦類零件 圖 卡瓦的結(jié)構(gòu) 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（本科論文） 30 n－卡瓦片數(shù)。 已知卡瓦的錐角 =180 圖 上錐體下移距離 西安石油大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（本科論文） 32 ??????? c t gc t gLH mm (2)膠筒壓縮距 S 由前面可知 S=60— 70mm， 取 S=60mm。 由 ? ???? ??? 241 dnpssF 得 ? ???n psd 4? 式中： d— 剪釘直徑 p— 承受壓力 s— 作用面積 n— 剪釘個數(shù) [τ]— 許用剪應(yīng)力 坐封剪釘聯(lián)接的是油缸和活塞，只有把坐封剪釘剪斷，活塞才能下行，進(jìn)而壓縮膠筒，此處均布 8個剪釘，液缸的啟動壓力為 p=57MPa。 由 d=5mm,計(jì)算 ? ? 2622 ??? ?????? ? ???sndp MPa,在 17— 19 MPa 之間，滿足要求。 （ 2）油管自重伸長或自重壓縮 根據(jù)材料力學(xué)得油管自重伸長長度或自重壓縮長度的計(jì)算公式： EFPll 2?? 或 E lrrl 2 )( 20??? 式中： Δl－油管自重伸長長度或自重壓縮長度，厘米； l－油管未伸長或壓縮時的長度，厘米； E－鋼的彈性模數(shù)，為 106 公斤 /厘米 2。當(dāng)用于高壓液缸時，對密封性的要求更高一些。目前，用合成橡膠材料制成的 O型密封圈之所以能